[发明专利]DVS系统开关DC‑DC变换器的混合控制电路及其控制方法

说明书

技术领域：

本发明属于开关电源变换器领域，特别涉及动态电压调整技术（Dynamic Voltage Scaling,DVS）中提高电压转换模块开关DC-DC变换器的动态性能的控制电路及其控制方法。

背景技术：

随着便携式电子产品不断地向小型化、全集成化、多功能化发展，消费者对于可便携式电子产品的功能要求越来越高，但是电池容量的发展并没有随之提升，如何提高便携式产品的待机时间、以最有效率的方式来使用电池有限的能量成为了一个研究热点。动态电压调整技术（DVS）就是一种被广泛使用的减小系统总体功耗的方法。由于处理器在设计时一般满足系统最大的性能要求，而移动终端在大部分的工作时间里并不需要这样高的性能，因此，DVS技术在处理器计算负荷较轻的情况下，同时降低处理器的时钟频率和供电电压以降低系统的能量消耗；当处理器计算负荷加重时，处理器的时钟频率和供电电压快速提高以满足系统性能要求。

一般的DVS控制电路一般由系统负载/温度信息采集模块、DVS控制算法模块、时钟产生模块及DC-DC电压变换器模块四个部分组成。其中，DC-DC变换器为处理器提供不同的供电电压，以满足DVS系统所需要的多种工作电压。DC-DC变换器应用到DVS系统需要具有以下的特点：1、能够根据处理器的反馈信号动态地调节DC-DC变换器的输出电压；2、DC-DC变换器输出电压不仅需要较小的输出纹波，还要具有良好的动态响应速度，特别是参考电压变化的跟随特性；3、DC-DC变换器自身具有较高的效率，控制电路消耗功耗少。

现阶段，市场上的主流DC-DC变换器的解决方案是采用模拟控制环路，包括模拟电压模控制、模拟电流模控制、模拟迟滞控制等。模拟控制环路很容易受到温度、供电电压及工艺（PVT）的影响，不利于系统的稳定；此外，模拟控制环路不具有可重构性，当输出电压或者电路参数发生变化时，补偿电路难于相应调整，因此不适用于DVS系统的应用；最后，模拟控制环路补偿网络需要的大电容增加了版图面积，不利于片上集成。

与模拟控制相比，数字控制策略具有良好的PVT特性、可编程性和高效率，可以很好地解决以上的问题。目前研究比较广泛的数字控制有数字PID控制、数字V²控制、数字滑模控制等。其中，数字PID控制采用波特图或根轨迹图的方式，利用零点对开关DC-DC变换器中存在的两个极点进行补偿，保证变换器的稳定性，例如文献：“Digital Controller for DVS-Enabled DC–DC Converter，”（Mukti Barai,IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,VOL.25,NO.3,MARCH2010）。但所设计的带宽和增益要满足系统在不同状态下的稳定性，研究者经常会采用过设计，这将会限制DVS功能的动态响应速度。数字V²控制同时采样输出电压及其纹波，通过快慢两个控制通路调制输出电压，具有良好的稳态性能和动态响应速度，其缺点是控制环路容易受到外界干扰，需要进行斜坡补偿。例如文献：“A Constant Frequency Output-Ripple-Voltage-Based Buck Converter Without Using Large ESR Capacitor”，（Yuan Yen Mai and Philip K.T.Mok,IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—II:EXPRESS BRIEFS,VOL.55,NO.8,AUGUST2008）。数字滑模控制利用输出误差电压和滤波电容电流构成滑模面，根据当前的状态时时地改变系统结构，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，因此数字滑模控制具有很好的鲁棒性和动态响应速度，但其缺点是输出纹波较大，且控制频率与电路参数、输出电压有关，一般不直接作为DVS系统DC-DC变换器的控制电路。例如文献：《基于BUCK型变换器的滑模变结构控制技术研究》，刘斌，浙江大学，2007年5月。

开关DC-DC变换器的主要性能参数包括效率、稳态输出纹波、动态响应速度（包括输出负载跳变响应速度、参考电压跟随响应速度和输入电压跳变响应速度）等。参考电压跟随响应速度是指当参考电压发生变化时，输出电压达到新的稳定电压所需要的时间，这一性能对于应用到DVS系统的开关DC-DC变换器尤为重要。